package com.datastructure.huffmantree.huffmancode;

import java.io.*;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
import java.util.*;

public class HuffmanCode {

    public static void main(String[] args) {
        String content = "i like like like java do you like a java";
        byte[] contentBytes = content.getBytes();
        System.out.println(contentBytes.length); // 40

        byte[] huffmanCodeBytes = huffmanZip(contentBytes);
        System.out.println("压缩后的结果是:" + Arrays.toString(huffmanCodeBytes) + " 长度= " + huffmanCodeBytes.length);

        byte[] sourceBytes = decode(huffmanCodes,huffmanCodeBytes);
        System.out.println("原来的字符串=" + new String(sourceBytes));

        // 测试压缩文件
        String srcFile = "d://src.bmp";
        String dstFile = "d://dst.zip";

        zipFile(srcFile,dstFile);
        System.out.println("压缩文件OK～～");

        // 测试解压文件
        String zipFile = "d://dst.zip";
        String dstFile1 = "d://src2.bmp";
        unZipFile(zipFile, dstFile);
        System.out.println("解压成功!");
//        System.out.println(contentBytes.length); // 40
//
//        List<Node> nodes = getNodes(contentBytes);
//        System.out.println("nodes=" + nodes);
//
//        System.out.println("生成赫夫曼树");
//        Node huffmanTreeRoot = createHuffmanTree(nodes);
//        System.out.println("前序遍历");
//        preOrder(huffmanTreeRoot);
//
//        System.out.println("生成赫夫曼编码表");
////        getCodes(huffmanTreeRoot,"",stringBuilder);
//        Map<Byte, String> huffmanCodes = getCodes(huffmanTreeRoot);
//        System.out.println("生成赫夫曼编码表" + huffmanCodes);
//
//        System.out.println("生成赫夫曼编码");
//        byte[] huffmanCodeBytes = zip(contentBytes, huffmanCodes);
//        System.out.println("huffmanCodeBytes=" + Arrays.toString(huffmanCodeBytes));
    }

    //生成赫夫曼树对应的赫夫曼编码
    // 32->01 97->100 100->11000等等[形式]
    static Map<Byte, String> huffmanCodes = new HashMap<>();
    // 在生成赫夫曼编码表示，需要去拼接路径，定义一个StringBuilder 存储某个叶子结点的路径
    static StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder();

    // 编写一个方法，完成对压缩文件的解压
    /**
     * @param zipFile 准备解压的文件
     * @param dstFile 将文件解压到哪个路径
     */
    public static void unZipFile(String zipFile, String dstFile){
        // 定义文件输入流
        InputStream is = null;
        // 定义一个对象输入流
        ObjectInputStream ois = null;
        // 定义文件的输出流
        OutputStream os = null;
        try {
            // 创建文件输入流
            is = new FileInputStream(zipFile);
            // 创建一个和is关联的对象输入流
            ois = new ObjectInputStream(is);
            // 读取byte数组 huffmanBytes
            byte[] huffmanBytes = (byte[])ois.readObject();
            // 读取赫夫曼编码表
            Map<Byte,String> huffmanCodes = (Map<Byte,String>)ois.readObject();

            // 解码
            byte[] bytes = decode(huffmanCodes,huffmanBytes);
            // 将bytes数组写入到目标文件
            os = new FileOutputStream(dstFile);
            // 写数据到dstFile
            os.write(bytes);
        } catch (Exception e){
            System.out.println(e.getMessage());
        } finally {
            try {
                os.close();
                ois.close();
                is.close();
            } catch (Exception e2) {
                System.out.println(e2.getMessage());
            }
        }
    }
    // 编写方法，将一个文件进行压缩
    /**
     * @param srcFile 源文件
     * @param dstFile 目标文件
     */
    public static void zipFile(String srcFile,String dstFile){
        // 创建输出流
        OutputStream os = null;
        ObjectOutputStream oos = null;
        // 创建文件的输入流
        FileInputStream is = null;
        try {
            // 创建文件的输入流
            is = new FileInputStream(srcFile);
            // 创建一个和源文件大小一样的byte[]
            byte[] b = new byte[is.available()];
            // 读取文件
            is.read();
            // 直接对源文件压缩
            byte[] huffmanBytes = huffmanZip(b);
            // 创建文件的输出流，存放压缩文件
            os = new FileOutputStream(dstFile);
            // 创建一个与文件输出流相关的ObjectOutputStream
            oos = new ObjectOutputStream(os);
            // 把赫夫曼编码后的字节数组写入压缩文件
            oos.writeObject(huffmanBytes);
            // 把赫夫曼编码表也写入压缩文件中，是为了以后我们恢复文件时使用
            oos.writeObject(huffmanBytes);
        } catch (Exception e) {
            System.out.println(e.getMessage());
        } finally {
            try {
                is.close();
            } catch (Exception e) {
                System.out.println(e.getMessage());
            }

        }
    }
    // 使用一个方法，将前面的方法封装起来，便于我们调用。
    private static byte[] huffmanZip(byte[] bytes){
        List<Node> nodes = getNodes(bytes);
        // 根据 nodes 创建赫夫曼树
        Node huffmanTreeRoot = createHuffmanTree(nodes);
        // 对应的赫夫曼编码表（根据 赫夫曼树）
        Map<Byte, String> huffmanCodes = getCodes(huffmanTreeRoot);
        // 根据生成的赫夫曼编码，得到压缩后的赫夫曼的编码字节数组
        byte[] huffmanCodeBytes = zip(bytes, huffmanCodes);
        return huffmanCodeBytes;
    }
    // 为了调用方便，我们重载getCodes
    private static Map<Byte,String> getCodes(Node root){
        if(root == null){
          return null;
        }
        // 处理root的左子树
        getCodes(root.left,"0",stringBuilder);
        // 处理root的右子树
        getCodes(root.right,"1",stringBuilder);
        return huffmanCodes;
    }
    /**
     * 将传入的node结点的所有叶子结点的赫夫曼编码得到，并放入到huffmanCode集合
     * @param node 传入结点
     * @param code 路径：左子结点是0，右子结点是1
     * @param stringBuilder 用于拼接路径
     */
    private static void getCodes(Node node,String code,StringBuilder stringBuilder){
        StringBuilder stringBuilder2 = new StringBuilder(stringBuilder);
        // 将code加入到stringBuilder2
        stringBuilder2.append(code);
        if(node != null){ // 如果node == null 不处理
            // 判断当前的node 是叶子结点还是非叶子结点
            if(node.data == null){ // 非叶子结点
                // 递归处理
                // 向左递归
                getCodes(node.left,"0",stringBuilder2);
                // 向右递归
                getCodes(node.right,"1",stringBuilder2);
            } else { // 说明是一个叶子结点
                // 就表示找到某个叶子结点的最后
                huffmanCodes.put(node.data,stringBuilder2.toString());
            }
        }
    }

    // 前序遍历的方法
    private static void preOrder(Node root){
        if(root != null){
            root.preOrder();
        } else {
            System.out.println("赫夫曼树为空");
        }
    }

    /**
     * @param bytes 接收字节数组
     * @return 返回的是List形式
     */
    private static List<Node> getNodes(byte[] bytes){
        // 创建一个ArrayList
        ArrayList<Node> nodes = new ArrayList<>();

        // 遍历bytes，统计每一个byte出现的次数-》map[key,value]
        Map<Byte,Integer> counts = new HashMap<>();
        for(byte b : bytes){
            Integer count = counts.get(b);
            if(count == null){
                counts.put(b,1);
            } else {
                counts.put(b, count + 1);
            }
        }

        // 把每一个键值对转成一个Node对象，并加入到nodes集合
        // 遍历map
        for(Map.Entry<Byte,Integer> entry: counts.entrySet()){
            nodes.add(new Node(entry.getKey(),entry.getValue()));
        }
        return nodes;
    }

    // 可以通过list 创建对应的赫夫曼树
    private static Node createHuffmanTree(List<Node> nodes){
        while(nodes.size() > 1){
            // 排序，从小到大
            Collections.sort(nodes);
            // 取出第一颗最小的二叉树
            Node leftNode = nodes.get(0);
            // 取出第二颗最小的二叉树
            Node rightNode = nodes.get(1);
            // 创建一个新的二叉树，它的根节点，没有data,只有权值
            Node parent = new Node(null, leftNode.weight+ rightNode.weight);
            parent.left = leftNode;
            parent.right = rightNode;

            // 将已经处理的两棵二叉树从nodes删除
            nodes.remove(leftNode);
            nodes.remove(rightNode);
            // 将新的二叉树，加入到nodes
            nodes.add(parent);
        }
        // nodes 最后的节点，就是赫夫曼树的根结点
        return nodes.get(0);
    }

    // 哈夫曼编码
    // 将字符串对应的byte[] 数组，通过生成的赫夫曼编码表，生成一个赫夫曼编码 压缩后的byte[]

    /**
     * @param huffmanCodes 生成的赫夫曼编码
     * @param bytes 原始字符串对应的byte[]
     * @return 返回赫夫曼编码处理后的byte[] "101010001011...."
     * => 对应的byte[] huffmanCodeBytes ,即8位对应一个byte，放入到huffmanCodeBytes
     * huffmanCodeBytes[0] = 10101000(补码) => byte [推导 10101000 => 10101000-1 => 10100111(反码)=> 11011000=-88]
     */
    private static byte[] zip(byte[] bytes,Map<Byte,String> huffmanCodes){
        // 利用huffmanCodes 将 bytes 转成 赫夫曼编码对应的字符串
        StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder();
        // 遍历bytes 数组
        for(byte b : bytes){
            stringBuilder.append(huffmanCodes.get(b));
        }
        System.out.println("测试 stringBuilder=" + stringBuilder.toString());

        // 将"1010100010111111......."转成byte[]

        // 统计返回 byte[] huffmanCodeBytes 长度
        // 一句话 int len = (stringBuilder.length() + 7) / 8;
        int len;
        if(stringBuilder.length() % 8 == 0){
            len = stringBuilder.length() / 8;
        } else {
            len = stringBuilder.length() / 8 + 1;
        }
        // 创建 存储压缩后的byte数组
        byte[] huffmanCodeBytes = new byte[len];
        int index = 0;// 记录是第几个byte
        for(int i = 0; i < stringBuilder.length(); i += 8){ //因为是每8位对应一个byte，所以步长+8
            String strByte;
            if(i+8 > stringBuilder.length()){
                strByte = stringBuilder.substring(i);
            } else {
                strByte = stringBuilder.substring(i,i+8);
            }
            // 将strByte 转成一个byte，放入到huffmanCodeBytes
            huffmanCodeBytes[index] = (byte) Integer.parseInt(strByte,2);
            index++;
        }
        return huffmanCodeBytes;
    }

    /**
     * 将一个byte 转成一个二进制的字符串
     * @param flag
     * @param b
     * @return
     */
    private static String byteToBitStr(boolean flag, byte b){
        // 使用变量保存b
        int temp = b; //将b转成int
        if(flag){ //判断是否达到8位,不满8位就没有意义
            temp |= 256; // 按位与256 1 0000 0000 ｜ 0000 0001 => 1 0000 0001
        }
        String str = Integer.toBinaryString(temp); // 返回的是temp对应的二进制的补码，这也与我们的编码相同，
        // 都是采用补码的方式，即第一位是符号位
        if(flag){
            return str.substring(str.length() - 8);
        } else {
            return str;
        }
    }

    /**
     * 完成数据的解压
     * 先转换成二进制字符串 "1010100010111..."
     * 再二进制字符串转换为字符串
     * @param huffmanCodes 赫夫曼编码表 map
     * @param huffmanBytes [-88,-65,-56,-65,.....] 赫夫曼编码得到的字节数组
     * @return
     */
    private static byte[] decode(Map<Byte,String> huffmanCodes,byte[] huffmanBytes){
        StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder();
        for(int i = 0; i < huffmanBytes.length;i++){
            byte b = huffmanBytes[i];
            boolean flag = (i == huffmanBytes.length - 1);// 是否是最后一个字节，编码的时候进行过补码，
            // 那么解码也需要进行补码处置
            stringBuilder.append(byteToBitStr(!flag,b));
        }

        // 把字符串按照指定的赫夫曼编码表进行解码
        // 把赫夫曼编码表进行调换，因为反向查询 a->100 100->a
        Map<String, Byte> map = new HashMap<>();
        for(Map.Entry<Byte,String> entry:huffmanCodes.entrySet()){
            map.put(entry.getValue(),entry.getKey());
        }

        // 创建集合，存放byte
        List<Byte> list = new ArrayList<>();
        // i 可以理解成就是索引，扫描stringBuilder
        for(int i = 0; i < stringBuilder.length();){
            int count = 1;
            boolean flag = true;
            Byte b = null;
            while(flag){
                String key = stringBuilder.substring(i ,i+count);
                b = map.get(key);
                if(b == null){
                    count++;
                } else {
                    flag = false;
                }
            }
            list.add(b); // 匹配到一个就加入到list
            i += count; // i 直接移动到count
        }
        // 当for循环结束之后，我们list中就存放了所有的字符 "i like like like java do you like a java"
        // 把list中的数据放入到byte[] 并返回
        byte [] b = new byte[list.size()];
        for(int i = 0; i < b.length; i++){
            b[i] = list.get(i);
        }
        return b;
    }

}

// 创建Node，数据和权值
class Node implements Comparable<Node> {
    int weight; //结点权值，表示字符出现的次数
    Byte data; // 存放数据（字符）本身，比如'a' => 97, ' ' => 32
    Node left; // 指向左子结点
    Node right; //指向右子结点

    // 写一个前序遍历
    public void preOrder(){
        System.out.println(this);
        if(this.left != null){
            this.left.preOrder();
        }
        if(this.right != null){
           this.right.preOrder();
        }
    }

    public Node(Byte data,int weight) {
        this.weight = weight;
        this.data = data;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Node{" +
                "weight=" + weight +
                ", data=" + data +
                '}';
    }

    @Override
    public int compareTo(Node o) {
        // 表示从小到大排序
        return this.weight - o.weight;
    }
}
